CN118073154A - 一种百千瓦量级降压收集极 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种百千瓦量级降压收集极。所述收集极包括电极结构、陶瓷绝缘结构、双层水套结构，其中，第一电极与管体电位相同，第二个电极实现降压收集功能；陶瓷绝缘结构位于第一电极与第二电极之间，以用于隔绝真空，且在电极结构与陶瓷绝缘结构的连接焊接处采用防晕环结构，以避免高压打火；双层水套结构位于第二电极外表面，将去离子水注入双层水套结果可以有效散热，第二电极表面的梯形开槽增加了与去离子水的接触面积，进一步提高散热效果，满足百千瓦量级的废束功率散热。本发明通过去离子水与高压电极直接接触，优化局部场防止击穿，有效地降低了收集极的温度，提高了其稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本公开涉及微波及毫米波电真空器件技术领域，具体涉及一种百千瓦量级降压收集极。
背景技术
大功率速调管作为大型加速器中广泛应用的射频功率源，扮演着至关重要的角色，其性能的不断提升对于加速器系统的整体性能具有重大影响。随着材料科学和工艺技术的进步，速调管的性能得到了显著改善，包括功率、效率、增益和带宽等方面。然而，随着功率等级的提高，速调管本身通过热损耗所带走的能量也越来越多，因此提高速调管效率已成为当前研究的重要方向之一。为了实现这一目标，研究人员正在积极探索新的材料和工艺，以降低速调管中的能量损耗。通过引入新型材料、优化结构设计和工艺流程，以及借助计算机模拟技术进行精确分析和优化，可以有效地提高速调管的效率，从而在提供高功率的同时，降低能量损耗，实现更加节能和稳定的性能。因此，提高速调管的效率是当前研究的重点，通过材料、工艺和设计的不断创新，速调管的效率将会不断提升，为大功率微波功率系统的发展提供更加可靠和高效的射频功率源，进一步推动加速器技术的发展。
降压收集极是通过将废束电子的能量回收提高微波管效率的一种重要途径。该技术目前已经广泛应用于行波管，其收集极回收效率在70％以上，大幅提升行波管总体效率。对于速调管上降压收集极的应用，目前主要应用在电视及通讯用的低功率速调管中，而对于大功率速调管上降压收集极技术鲜有研究。其主要原因为大功率速调管电源功率较大，降压收集极技术一定程度上受到电源系统的限制，其次由于工作电压高，注-波互作用效率高，进入收集极的电子在径向和轴向的能量分布零散大，速度分选困难，增大了降压收集极的设计难度。为进一步满足系统对电源总效率的高要求，在速调管中应用降压收集极已经成为未来高效率速调管发展方向之一。
目前速调管降压收集极设计的缺陷：
1)速调管进入收集极有大量低能电子，因此电极电压的选择受到限制，传统收集极采用辐射散射或通过陶瓷传热外接水冷散热。这些方法散热效果差，难以在大功率速调管应用。
2)大功率速调管工作电压较高，降压收集极各电极以及陶瓷支撑结构存在绝缘问题，容易出现局部电场太强而出现击穿打火现象。若有电子轰击在陶瓷表面还会造成陶瓷出气严重，降低管内真空度，从而造成离子回轰和阴极中毒，长时间工作在高的真空度下会导致速调管运行寿命减少。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种百千瓦量级降压收集极，采用了两种不同的电极结构，其中一个电极0电位，而另一个则为-25kV至-27kV，这种设计可以有效地控制电场分布，以满足特定的工艺需求；此外，两个电极使用氧化铝陶瓷筒进行密封焊接，以确保稳定的工作环境并隔绝真空环境的影响，密封焊接处采用了防晕环结构，有效地防止电弧放电和漏电现象的发生，从而保证设备的安全稳定运行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种百千瓦量级降压收集极，整体呈圆柱筒状，包括电极结构，陶瓷绝缘结构，双层水套结构；其中，
所述电极结构包括并排放置的第一电极、第二电极，所述第一电极接地，第二电极的电位设置为-25kV至-27kV；所述第一电极为空心圆筒结构，所述第二电极包括前端、中间段、末端三部分空腔，所述第二电极的前端为电极头，经倒角处理后呈梯形圆锥体，所述第二电极的中间段为圆柱体，其直径与所述梯形圆锥体的较大圆锥面的直径相同，所述第二电极的末端为所述中间段的延伸段，其中，所述延伸段的末端中心处包括凸起的圆锥体形缺陷；
所述陶瓷绝缘结构位于第一电极与第二电极之间，包括共轴心放置的呈空心状的陶瓷筒、第一陶瓷圆环、第二陶瓷圆环，所述陶瓷筒的开口方向垂直于第一电极和第二电极，所述第一陶瓷圆环、第二陶瓷圆环分布在陶瓷筒两侧；
所述双层水套结构位于第二电极外侧并与第二电极相接，包括内层水套、外层水套、进水口及出水口。
进一步的，所述陶瓷绝缘结构还包括与陶瓷筒共轴心放置的第一Z字结构铝材圆环、第二Z字结构铝材圆环，所述第一Z字结构铝材圆环、第二Z字结构铝材圆环位于第一陶瓷圆环、第二陶瓷圆环之间并分别焊接于第一陶瓷圆环、第二陶瓷圆环。
进一步的，所述陶瓷绝缘结构两侧分别设置防晕环，以焊接的方式分别连接第一电极、第二电极。
进一步的，陶瓷绝缘结构还包括金属屏蔽筒，金属屏蔽筒位于陶瓷筒内部并靠近第一电极方向。
进一步的，所述双层水套结构用于填充去离子水。
进一步的，所述双层水套结构的内层水套、外层水套均为不锈钢圆筒，所述外层水套用于承载进水水路，所述内层水套用于承载出水水路。
进一步的，所述双层水套结构以包裹第二电极的方式位于第二电极外侧。
进一步的，所述第二电极与所述双层水套的内层水套相接触的表面设有若干个梯形水槽。
本发明的有益效果在于：
该设备采用防晕环结构，有效地防止电弧放电和漏电现象的发生；采用双层水套结构，使用去离子水进行冷却，以确保电极和设备的温度保持在适宜的工作范围内；第二电极表面开槽增加了与去离子水接触的面积，进一步提高了冷却效果；以及，去离子水与高压电极直接接触，优化局部场防止击穿，该设计可满足百千瓦束流功率散热，这为在大功率速调管中应用多级降压收集极创造了条件。
附图说明
图1为本发明的一种百千瓦量级降压收集极的立体剖面图；
图2为本发明的双层水套结构示意图；
图3为本发明的收集极第二电极侧面水槽结构图；
图4为本发明陶瓷绝缘结构示意图；
图5为本发明防晕环结构图。
附图标记：
1、第一电极；2、第二电极；3、陶瓷绝缘结构；4、双层水套结构；5、外层水套；6、内层水套；7、出水口；8、入水口；9、梯形水槽；10、陶瓷筒；11、第一陶瓷圆环；12、第二陶瓷圆环；13、第一Z字结构铝材圆环；14、第二Z字结构铝材圆环；15、防晕环；16、金属屏蔽筒。
具体实施方式
以下是本公开实施例的描述，以便全面理解。需要注意的是，这些描述仅为示例，不限制本公开的范围。详细描述中包含了许多具体细节，以便解释。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下将结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本文中使用的术语都是按照技术人员通常理解的含义来解释的，而不是按照一般人的理解。术语的解释应该符合本文的上下文，而不是过于理想化或死板。
参考图1、图5，所示降压收集极包括：
电极结构，该设备采用了两种不同的电极结构，其中第一电极1与速调管管体电位相同，而第二电极2电位为-27kV。这种设计可以有效地控制电场分布，以满足特定的工艺需求。所述单极降压收集极，其特征在于所述电极结构包括：第一电极1采用空心圆筒结构；第二电极2为上下开口的延伸式空腔圆环结构，电极头进行倒角处理以降低局部电场，避免出现打火；在腔内后端采用凸起的圆锥结构，在改变电场分布同时使电子倾斜入射。电极结构在与陶瓷绝缘结构3连接处分别设置防晕环15，防止在金属与陶瓷焊接处可能出现局部电场的增加，可能出现陶瓷打火导致漏气，使得管内真空变差；在第一电极1处设置长的金属屏蔽筒16对内部束流进行屏蔽(如将金属屏蔽筒16放于陶瓷筒10内部并靠近第一电极1方向)，防止电子直接打在陶瓷筒10导致放气。
参考图1，图4-图5，在陶瓷绝缘结构3方面，两个电极与陶瓷绝缘结构3焊接处均采用了防晕环15，这种设计可以有效地防止电弧放电和漏电现象的发生，从而保证设备的安全稳定运行。陶瓷绝缘结构3由三块陶瓷组成，其中一块为空心状的陶瓷筒10，其余为第一、第二陶瓷圆环11、12；第一、第二陶瓷圆环11、12与第一、第二Z字结构铝材圆环13、14分别焊接对整体进行支撑。第一、第二陶瓷圆环11、12以及第一、第二Z字结构铝材圆环13、14皆提高焊接的稳定性，并且第一、第二Z字结构铝材圆环13、14减小由于收集极热形变而导致陶瓷筒应力，防止断裂。
参考图1-图3，双层水套结构4包括外层水套5和内层水套6，包裹于第二电极2外侧，双层水套结构4通过使用去离子水进行冷却，以确保电极和设备的温度保持在适宜的工作范围内。特别是，第二电极2表面开梯形水槽9增加了与去离子水接触的面积，并且增加了表面水流的流速以及水流的均匀性，进一步提高了冷却效果，提高散热效率，并且能够有效地降低电极表面温度，从而提高设备的性能和稳定性。入水口8和出水口7均设置在水套端面，以便于水的流动和管道的连接，从而确保了冷却水的顺畅循环。这些结构设计的合理性和完善性，为设备的稳定性和性能提供了有效的保障。
双层水套结构4内部填充去离子水，用于满足高散热率，同时满足绝缘性能。去离子水的击穿电压为11.2kV/mm,经过结构优化降低表面电场分布。
以上所述的具体实例，上述仅为本发明的具体实例，本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种百千瓦量级降压收集极，其特征在于，所述收集极整体呈圆柱筒状，包括电极结构，陶瓷绝缘结构，双层水套结构；其中，
所述电极结构包括并排放置的第一电极、第二电极，所述第一电极接地，第二电极的电位设置为-25kV至-27kV；所述第一电极为空心圆筒结构，所述第二电极包括前端、中间段、末端三部分空腔，所述第二电极的前端为电极头，经倒角处理后呈梯形圆锥体，所述第二电极的中间段为圆柱体，其直径与所述梯形圆锥体的较大圆锥面的直径相同，所述第二电极的末端为所述中间段的延伸段，其中，所述延伸段的末端中心处包括凸起的圆锥体形缺陷；
所述陶瓷绝缘结构位于第一电极与第二电极之间，包括共轴心放置的呈空心状的陶瓷筒、第一陶瓷圆环、第二陶瓷圆环，所述陶瓷筒的开口方向垂直于第一电极和第二电极，所述第一陶瓷圆环、第二陶瓷圆环分布在陶瓷筒两侧；
所述双层水套结构位于第二电极外侧并与第二电极相接，包括内层水套、外层水套、进水口及出水口。
2.根据权利要求1所述的一种百千瓦量级降压收集极，其特征在于，所述陶瓷绝缘结构还包括与陶瓷筒共轴心放置的第一Z字结构铝材圆环、第二Z字结构铝材圆环，所述第一Z字结构铝材圆环、第二Z字结构铝材圆环位于第一陶瓷圆环、第二陶瓷圆环之间并分别焊接于第一陶瓷圆环、第二陶瓷圆环。
3.根据权利要求1所述的一种百千瓦量级降压收集极，其特征在于，所述陶瓷绝缘结构两侧分别设置防晕环，以焊接的方式分别连接第一电极、第二电极。
4.根据权利要求1所述的一种百千瓦量级降压收集极，其特征在于，陶瓷绝缘结构还包括金属屏蔽筒，金属屏蔽筒位于陶瓷筒内部并靠近第一电极方向。
5.根据权利要求1所述的一种百千瓦量级降压收集极，其特征在于，所述双层水套结构用于填充去离子水。
6.根据权利要求1所述的一种百千瓦量级降压收集极，其特征在于，所述双层水套结构的内层水套、外层水套均为不锈钢圆筒，所述外层水套用于承载进水水路，所述内层水套用于承载出水水路。
7.根据权利要求1所述的一种百千瓦量级降压收集极，其特征在于，所述双层水套结构以包裹第二电极的方式位于第二电极外侧。
8.根据权利要求6所述的一种百千瓦量级降压收集极，其特征在于，所述第二电极与所述双层水套的内层水套相接触的表面设有若干个梯形水槽。
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